Главная Промышленная автоматика.

ператур, в которых термокомпенсацни осуществляется с помощью простого или сложного ТЗП и оптимизацией параметров этого ТЗП с помощью ЭВМ.

Аналоговые схемы позволяют обеспечить температурную стабильность частоты прецизионного ТККГ до (1-2)-Ю-. Дальнейшее повышение стабильности частоты ТККГ может быть достигнуто прн использовании цифровых и комбинированных способов термокомпенсацни. Цифровой метод основан на применении дискретной термокомпенсацни.

ППЗУ

1!>

±1

f,\(ri

т I I I

ппзи

f(T)

ППЗУ

Утроитесь

ЦАП -:т;г-г ППЗУ -rJ- Ч-К

Рис. 9.7. Варианты функциональных схем ТККГ с цифровоП термокомпенсацией

При дискретной термокомпенсации рабочий интервал температур разбивается на участки. В пределах каждого участка напряжение на варикапе остается постоянным, и частота изменяется по ТЧХ генератора. Уровень напряжения можно регулировать, симметрируя с определенной точностью отклонение частоты на этом участке относительно номинального значения. При переходе на соседний участок напряжение иа варикапе изменяется скачком (дискретно). Уровень напряжения на соседнем участке также может регулироваться без изменения уровня, установленного на соседнем участке. Таким образом, результирующая температурная стабильность час-

тоты ТККГ с дискретной термокомпенсацией определяется длиной участка температур и изменением частоты некомпенсированного генератора на этих участках и может быть увеличена путем добавления участков-

Реализация дискретного способа термокомпенсацни цифровыми методами стала возможной благодари разработке цифровых логических схем, аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Простейшая схема ТККГ с цифровой термоконлен-сацией изображена рис. 9.7, а. Датчик температур ДТ, в качестве которого может быть использована простейшая цепь с т-ерморезистором или схема, основанная иа зависимости параметров р-л-переходов диодов илн транзисторов от температуры [129], преобразует изменение температуры в изменение напряжения. Это напряжение поступает иа АЦП, который преобразует А-о в цифровую форму. Код на выходе АЦП меняется прн переходе границ данного участка температур. Таким образом, каждому участку температур на выходе АЦП соответствует свое цифровое слово, которое используется в качестве адреса для обращения к программируемому постоянному запоминающему устройству (ППЗУ). В ППЗУ хранятся данные в цифровой форме по напряжению, необходимому для компенсации изменения частоты на каждом участке температур. Эти данные определяются и записываются в ППЗУ прн термокомпенсироваинн индивидуально для каждого генератора на стадии регулировки. Преобразователь преобразует цифровые слова, поступающие с ППЗУ, в напряжение в аналоговой форме, которое подается на варикап, включенный в генератор. Разрядность слова, хранящегося в ППЗУ (число бит иа выходе ППЗУ), определяет точность выставления заданной частоты ТККГ. Если изменение этого слова на единицу в младшем разряде приводит к изменению частоты на б/д, то, чтобы обеспечить изменение частоты при термокомпенсированни, равное размаху ТЧХ генератора, необходимо обеспечить разрядность слова в ППЗУ:

М = 1о§2

«/л

(9.2)

Температурная нестабильность ТККГ с цифровой термокомпенсацией 6/2- = 6/j./2 -f б/д/2 -f б/„, где б/j. - изменение частоты генератора на участке температур; б/„ - нестабильность, связанная с нестабильностью температур переключений, определяемая нестабильностью параметров датчика температур и АЦП.

При равномерной разбивке рабочего интервала температур и использовании линейного датчика температур максимальное изменение частоты на участке будет определяться в области температур, где ТЧХ имеет максимальное значение ТКЧ и при длине от-

дельного участка температур AT величина б/j. = атДГ. Чтобы в этом случае обеспечить требуемую температурную стабильность после компенсации, необходимо обеспечить длину отдельного участка температур ДТ = (26/j, - б/д - 2б/„)/«/„. Прн длине рабочего интервала температур АТ разрядность слова на выходе АЦП

OfmATn

(2б,г-б/д-2б„) 135

(9.3)



в соответствии с (9.2) и (9.3) ППЗУ должно обладать обьемом памяти

р-- = 2б/,,-б/д-2б/„

Используя ППЗУ с достаточно большим объемом памяти, в результате применения цифровой термокомпеисации можно обеспечить высокую (до нескольких единиц восьмого знака) температурную стабильность ТККГ. Достоинствами цифрового метода термокомпенсацнн являются возможность автоматизации процесса термокомпеисации и снижение требований к ТЧХ кварцевого резонатора.

Максимальная температурная стабильность ТККГ с цифровой термокомпеисацией ограничивается нестабильность температур переключений, нестабильностью уровня напряжения, поступающего с ЦАП, и гистерезисом ТЧХ резонатора.

Уменьшить нестабильность температур переключений можно, используя в качестве датчика температур температурный резонатор. Частота/! (Г) генератора с таким резонатором, линейно изменяющаяся при изменении температуры, подается либо непосредственно на преобразователь частота - код, либо на смеситель (рис. 9.7, б), где она смешивается с частотой основного генератора /р и на преобразователь частота - код подается разностная частота /р - fx (Т). Преобразователь частота- код преобразует частоту, поступающую на его вход, в цифровую форму, используемую в качестве адреса для обращения к ППЗУ. В остальном цифровая термокомпенсация по схеме рис. 9.7, б осуществляется аналогично схеме рнс. 9.7, о.

Одними из важных характеристик ТККГ являются динамические температурные характеристики. Как и в обычных генераторах, для уменьшения выбега частоты при изменении температуры окружающей среды в динамическом режиме необходи.мо стремиться к обеспечению идентичного температурного режима на датчике температуры и кварцевом резонаторе путем демпфирования, соответствующего взаимного расположения в составе блока, применения радиаторов и пр. Учитывая, что прн цифровой термокомпенсации, как правило, используется один термочувствительный элемент, для улучшения динамических характеристик становится возможным его размещение в одном баллоне с резонатором. Лучшие результаты в этом случае можно получить, если в качестве датчика температур использовать пьезоэлемент, расположенный в одном корпусе со стабильны.ч пьезоэлемеитом.

Еще больший выигрыш в улучшении динамических характеристик ТККГ можно получить, если в качестве датчика температур применить тот же пьезоэлемент, который используется для получения стабильных колебаний. Структурная схема такого генератора изображена на рис. 9.7, в. Резонатор возбуждается одновременно на двух различных модах: на рабочей частоте с.малой зависимостью частоты от температуры » на моде с большой зависимостью частоты от температуры. Отфильтрованный сигнал с частотой, зависящей от температуры, подается либо непосредственно на преобразователь частота-код, либо вместе со стабильным сигналом на синтезатор, сигнал с выхода которого подается иа преобразователь частота - код.

Реализация ТККГ с цифровой термокомпеисацией по схеме рис-9.7, в требует разработки специального резонатора. Однако эта йе-обходпмость отпадает, если цифровую термокомпенсацию осущест-

вить по схеме рнс. 9.7, г: резонатор возбуждается на колебаниях третьего порядка/.,, которые являются рабочей частотой с ТЧХ, оптимальными в рабочем интервале температур, и на частоте основного колебания /j. Частота основного колебания после умножения иа три подается на смеситель См, куда поступает и рабочая частота. На выходе смесителя получается разностная частота /з (7") - 3/i (Г). Так как ТЧХ резонатора при возбуждении на гармониках практически отличаются только температурным коэффициентом частоты первого порядка [16], разностная частота линейно зависит от температуры и может использоваться для отображения температуры резонатора прн осуществлении цифровой термокомпенсации.

Реализация методов цифровой термокомпеисации, отвечающих современным требованиям по потребляемой мощности и габаритам, требует использования полупроводниковых ИС АЦП и ЦАП с малой потребляемой мощностью и экономичных ППЗУ с большим временем хранения информации. Если для преобразователей эта задача в основном решена, то разработанные в настоящее время ППЗУ с достаточно большой для реализации прецизионных ТККГ памятью имеют сравнительно большую мощность потребления (до нескольких сотеи милливатт). Это заставляет разработчиков искать пути снижения требуемого объема памяти ППЗУ. Одна нз таких возможностей появляется прн работе схемы с малым коэффицентом заполнения [129], прягодной для использования при сравнительно медленном изменении температуры генератора. Перспективными также являются комбинированные схемы термокомпеисации. Одна из таких схем изображена на рис. 9.8, о, в которой реализуется аналого-цифровой способ термокомпенсации. При этом способе термокомпенсация осуществляется в два этапа. Вначале генератор компенсируют с помощью рёзисторно-терморезпсторной цепи с применением для определения значений подборных элементов ЭВМ. Остаточную нестабильность, полученную с помощью нелинейной термокомпенсации, компенсируют цифровой схемой. Такой способ тер.мокомпеи-сации позволяет несколько снизить требования к точности аналоговой компенсации и соответственно упростить процесс регулировки резисторно-терморезнсторной цепи и уменьшить требование к объему памяти ППЗУ, т. е. сократить габариты и потребляемую мощность при некотором возрастании общего времени на регулировку ТККГ. Еще больше снизить габариты и мощность, потребляемую ТККГ, можно при использовании цнфроаналоговой термокомпенсации по схеме рис. 9.8, б. В этом генераторе цифровые схемы применяют для построения термочувствительной системы управления (ЦТСУ), которая осуществляет переключение в зависимости от температуры окружающей среды аналоговых формирователей термозависимого напряжения (АФТЭН). Аналоговые формирователи могут быть выполнены по одк-ой нз описанных в разд. 7 схем н осуществляют термокомпенсацию на одном из участков температур, на которые разбивается рабочий интервал. Такое построение ТККГ позволяет снизить требование к отдельным аналоговым формирователям, повысить точность термоко.миенсацни и упростить процесс регулировки при создании прецизноиного ТККГ1

На рнс. 9.9 изображена схема прецизионного ТККГ с кусочио-иелииейиой термокомпенсацией с помощью функционального преобразователя на транзисторах. Для возбуждения резонатора, работающего на частоте 10 МГц с колебаниями третьего порядка, в цепь эмиттера включен контур, настроенный иа частоту между частота-




Рис. 9.8. Варианты функциональных схем ТККГ: а - с термокомпенсацней аналоговоцнфровой; б - цнфроаналоговой

кгзгвг

КТ316Г кгзгбг


хтгОвА П7 КТША -J- 2,ЪтГя

рас. 9.9. Схема прецизионного ТККГ с аналоговой термокомпенсацией

ми колебаний первого и третьего порядков. Крутизна управления, необходимая для осуществления термокомпеисации, обеспечена выбором начальной емкости варикапа Д4, включенного для компенсации, при работе вблизи последовательного резонанса резонатора. С помощью варикапов Д2, ДЗ обеспечивается точная настройка частоты генератора на номинальное значение, грубая настройка до компенсации осуществляется подбором емкости конденсатора С4. Параметры ТККГ по схеме рнс. 9.9 приведены иизце.

Выполнить цифровую часть ТККГ с термокомпенсацией можно по схемам, описанным в литературе, посвященной цифровой технике. Высокочастотную часть ТККГ выполняют по схеме рнс. 9.9 и схемам для прецизионных ТСКГ. Параметры прецизионных ТККГ, выполненных с использованием резонатора с колебаниями третьего порядка иа частоте 10 МГц и выпускаемых в настоящее время дискретных элементов и интегральных схем, даны в табл. 9.3.

Таблица 9.3. Параметры ТККГ (питание 12,6 В)

Термокомпенсацни

Показатели

аналоговая

цифро-аналоговая и цифровая

цифровая

Температурная стабиль-

0,5-2

0,5-2

ность частоты, I0-

Потребляемая мощность.

50-100

75-150

100-250

УПРАВЛЯЕМЫЕ И ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

10.1. Основные соотношеии$з

Термин управляемые генераторы подразумевает управление его частотой.

Управление частотой осуществляется в подавляющем большинстве КГ: это установка номинального значения частоты генератора в процессе изготовления и регулировки; коррекция изменения частоты из-за старения, а также после воздействия механических и климатических дестабилизирующих факторов; подстройка частоты в кольце ФАП; перестройка частоты при использовании одного резонатора для стабилизации нескольких частот; непосредственная частотная модуляция и частотная манипуляция; компенсация температурной нестабильности частоты.

Обычно необходимо изменять реактивное сопротивление, включенное последовательно с резонатором. В (17, 23, 101] достаточно подробно описано управление частотой КГ генераторов: обеспечение необходимых пределов перестройки, улучшение линейности характеристики управления частотой, влияние перестройки по частоте





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 [22] 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

0.0036